歪んだ物理学: MITの準結晶超伝導性イノベーション

MIT研究者らは、ツイストロン学と準結晶を混合して超伝導性を理解し、電子分野の有望なアプリケーションを理解する新しい方法を明らかにしました。

新しく柔軟なプラットフォームは、謎の物質を生成し、エキゾチックな現象の新しい研究につながる可能性があります。

準結晶として知られている謎の物質の種類に関心を引き起こす可能性のある研究では、 MIT 科学者や同僚は、重要な現象に合わせて調整できる原子的に薄い新しいバージョンを作成するための比較的簡単で柔軟な方法を見つけました。 ジャーナル最近の号で報告された研究では 自然彼らは、材料が超伝導性などを示すようにすることを説明します。

この研究は、準決定についてさらに学ぶだけでなく、研究するのが難しいかもしれませんが、重要な応用と新しい物理学につながる可能性があるエキゾチックな現象を探るための新しいプラットフォームを紹介します。 例えば、電子が抵抗なしで材料を通過する超伝導性のより良い理解は、はるかに効率的な電子デバイスを可能にします。

原子的に薄いグラフェン3枚を重ねて作ったモアレ準結晶（中央柱）のイメージ。 ソース: Sergio C. de la Barrera/トロント大学

Twistronicsと準結晶との接続

この作業は、以前に接続されていなかった2つの分野、すなわち準結晶とツイストロンを組み合わせます。 後者は、MITの物理学とセシルとアイダグリーンの教授であり、新しい論文の交信著者であるPablo Jarillo-Herreroの専門分野です。 自然 2018年に「魔法の角度」グラフェン革新を遂げた論文がこの分野を飛躍させました。

「ツイストロン学の分野が物理学と化学の他の領域、この場合、準周期決定の美しくエキゾチックな世界と予期しない接続を続けていることは本当に驚くべきことです」とMIT材料研究室と協力しているJarillo-Herreroは言います。 MIT電子研究所。

Twisttronicsの注目すべき発展

Twisttronicsは、原子単位で薄い材料層が互いに重なり合う方法を使用する。 1つ以上のレイヤーをわずかな角度で回転またはねじると、モアレ超格子と呼ばれるユニークなパターンが作成されます。 そしてモアレパターンは電子の行動に影響を与えます。 最近の論文の共同第1著者4人のうちの1人であるSergio C. de la Barreraは、「これは、電子が利用できるエネルギー準位のスペクトルを変化させ、興味深い現象が発生する可能性のある条件を提供できる」と述べた。 MITで博士後研究者として勤務し、これを行ったDe la Barreraは現在、トロント大学の助教授として在職しています。

Aviram Uri（左）とSergio C. de la Barreraは、準結晶と呼ばれる謎の物質から超伝導性を誘導するチームの一員です。 ウリはMITのパパラルドであり、VATAT博士後研究者です。 de la Barreraはトロント大学の助教授です。 出典：Eva Cheung/トロント大学

モアレシステムは、システムに追加される電子の数を変更することによって、さまざまな動作に合わせて調整することもできます。 その結果、世界中の研究者が原子的に薄い新しい量子材料を作成するためにツイストロンニクスを適用し、過去5年間にツイストロンニクス分野が爆発的に成長しました。 MITの例は次のとおりです。

• マジックアングルツイスト二重層として知られるモアレ素材切り替え グラフェン 3つの異なる有用な電子機器に分類されます。 （2021年に報告されたその作業に参加した科学者には、現在の作業の共同第一著者であり、MIT物理学博士後研究者であるDaniel Rodan-Legrainが含まれています。彼らはJarillo-Herreroが率いています。）
• 新しい特性である強誘電性をよく知られた系列にエンジニアリングします。 半導体。 （その研究に参加した科学者は、 2021年に報告Jarillo-Herreroが率いる.)
• エキゾチックな新しい自己現象を予測し、これを実現するための「レシピ」を完成します。 （その研究に参加した科学者は、 2023年に報告には、MIT物理学教授Liang FuとMIT物理学大学院生Nisarga Paulが含まれていました。 FuとPaulは共に現在の論文の共著者である。）

準決定公開

現在の研究では、研究者は3枚のグラフェンで構成されたモアレシステムを研究していました。 グラフェンは、ハニカム構造に似た六角形に配置された単一の炭素原子層で構成されています。 今回の場合、研究チームはグラフェンシート３枚を互いに重ね合わせたが、２枚のシートを若干異なる角度でねじった。

驚くべきことに、このシステムは1980年代に発見された珍しい種類の物質である準結晶を生成しました。 名前からわかるように、準結晶は、規則的な繰り返し構造を持つダイヤモンドのような結晶と、「原子がすべて混乱またはランダムに配置された」ガラスのような非晶質材料との間にあるとde la Barreraは言います。 簡単に言えば、準決定は「本当に奇妙なパターンを持っています」とde la Barreraは言います（いくつかの例を参照）。 ここ）。

しかし、結晶や非晶質物質に比べて準結晶については、既知のものが比較的少ない。 部分的には作るのが難しいからです。 「だからといって面白くないという意味ではありません。 これは、我々は電子特性、特に電子特性に多くの関心を払っていないことを意味します。 比較的単純な新しいプラットフォームがこれを変えることができます。

さらなる洞察とコラボレーション

もともと研究者は準決定の専門家ではなかったので、Tel Aviv UniversityのRon Lifshitz教授に連絡しました。 論文の共同執筆者の一人であり、MIT PappalardoとVATAT博士後の研究者であるAviram Uriは、Tel Avivで学部課程を行っている間、Lifshitzの学生であり、準決定に関する彼の研究について知っていました。 著者でもあるリーフシッツ(Lifshitz) 自然 紙はチームがモアレ準決定と呼ぶのを見ていることをよりよく理解するのに役立ちました。

その後、物理学者はモアレ準結晶を調整して超伝導体にするか、特定の低温以下では全く抵抗なしに電流を転送します。 超伝導デバイスは、今日可能なものよりもはるかに効率的に電子デバイスを介して電流を流すことができるので重要ですが、その現象はまだすべての場合で完全に理解されていません。 新しいモアレ準結晶システムはこれを研究する新しい方法を提示します。

研究チームはまた、電子が互いに非常に強く相互作用していることを知らせる別の現象である対称破壊の証拠も発見しました。 そして物理学者と量子材料科学者として、私たちは電子が互いに相互作用したいと考えています。 なぜなら、そこでエキゾチックな物理学が起こるからです」とデラ・バレラは言います。

結局、「大陸を越えて議論することで、私たちはこの事実を解読することができました。 しかし、「私たちはまだシステムを完全に理解していません」 。 まだミステリーがかなり多いです。」

研究の最良の部分は、「私たちが実際に作ったものが何であるかについて謎を解くことです」とデラ・バレラは言います。 「私たちは期待していました。 [something else]それで、私たちが本当に新しくて他のものを見ていることに気づいたとき、私はとても気持ちの良い驚きでした。

Uriは「私も同じ答えです」と言います。

参考文献：アビラム・ウリ、セルジオ・C・ド・ラ・バレラ、マリカ・T・ランデリア、ダニエル・ロダン・レグレイン、トリテップ・デヴァクル、フィリップ・JDクロウリー、ニサルガ・ポール、ケンジ・ワタナベ、タカシ・タニグチの「調整可能なモアレ準結晶の超伝導性と強力な相互作用」 Ron Lifshitz、Liang Fu、Raymond C. Ashoori、Pablo Jarillo-Herrero、2023年7月19日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-06294-z

追加作者 自然 論文はMIT物理学教授Raymond C. Ashooriです。 MITからPappalardo Fellowへの研究を行いました。 MITで博士後研究者として研究を行ったスタンフォード大学助教授Trithep Devakul。 Harvard Universityの博士後研究者であるPhilip JD Crowley; 日本国立材料科学研究所のKenji WatanabeとTakishi Takashi.

この研究は、米陸軍研究所、米国国立科学財団、Gordon and Betty Moore財団、MIT Pappalardo Fellowship、量子科学技術分野のVATAT優秀博士後研究者、JSPS KAKENHI、イスラエル科学財団の資金を受けました。